激光調控特定聲子誘導的石墨-金剛石相變 | 進展

通過改變電子結構以及進一步影響原子的受力，激光可以誘導出豐富的新奇物理現象。其中光致結構相變就是一種通過較強的電子激發實現亞皮秒時間尺度相干聲子激發，從而誘導固體材料發生相變的非平衡過程。世紀之初，理論工作預言了光激發可能作為實現石墨-金剛石相變的全新路徑，這有望克服傳統的高溫高壓或者沖擊合成實現條件苛刻的困難。超快實驗測量表明，在強激光輻照下石墨會經歷層間收縮和成鍵的特征過程，但由于探測技術的時空分辨率的限制，完整的相變動力學路徑和機制仍然是一個空白。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF10組博士研究生賈韞哲在張萃副研究員、孟勝研究員的指導下，利用自主開發的非絕熱含時密度泛函分子動力學方法和軟件（TDAP），探究了光脈沖誘導石墨-金剛石相變的實現路徑，并探究和揭示了相變路徑與產物結構被激光參數調控的規律與微觀機制。

圖 a光驅動石墨-金剛石相變示意圖；b光驅動石墨相變相圖；c,d受激發的特定聲子模式與相變最終結構的關系示意圖.

研究發現，相變產物的光學操縱源于在不同激發量的情況下電子-聲子耦合驅動了不同程度的結構畸變，且進一步可以通過聲子-聲子相互作用間接激發特定的聲子模式。激活的聲子模之間的競爭決定了所得相的結構特征。結合更多光參數的計算結果，作者建立了激光誘導金剛石形成的波長-脈沖能量相圖，展示了改變超快激光器的參數具有調控微觀相變路徑的能力。這種隱含激發態信息以及具體動力學路徑的相圖極大地豐富了對碳材料相空間的理解，也反映了碳材料顯著的結構多樣性。綜合正四面體參數 t >以及自主設計的鍵參數，可以對特定波長下（如800 nm）不同脈沖能量導致的路徑選擇細節直觀展示。本研究不僅為最終實現光致人造金剛石合成提供了重要的微觀信息，也為實現更多碳結構的光致相變或合成提供了理論指導。

相關研究成果以Optically-controlled phonon-specific phase transitions from graphite to diamond為題，發表于Nature Communications 17, 381 (2026)，并被收錄在編輯精選網頁中。該研究受到了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部重點研發計劃的資助。

編輯：楠客